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CA 02676001 2009-07-20
WO 2008/107559 PCT/FR2008/000079
Installation de conduite montante flexible de transport
d'hydrocarbures
La présente invention se rapporte à une installation de conduite
montante flexible de transport d'hydrocarbures ou d'autres fluides sous
haute pression, et à un procédé de réalisation d'une telle installation.
Les conduites flexibles de transport des hydrocarbures, qui
io s'opposent aux conduites rigides, sont déjà bien connues, et elles
comportent généralement de l'intérieur vers l'extérieur de la conduite, une
carcasse métallique, pour reprendre les efforts radiaux d'écrasement,
recouverte d'une gaine d'étanchéité interne en polymère, une voûte de
pression pour résister à la pression interne de l'hydrocarbure, des nappes
d'armure de traction pour reprendre les efforts de tension axiale et une
gaine externe en polymère pour protéger l'ensemble de la conduite et
notamment pour empêcher l'eau de mer de pénétrer dans son épaisseur.
La carcasse métallique et la voûte de pression (en anglais pressure
vault ) sont constituées d'éléments longitudinaux enroulés à pas court, et
2o elles confèrent à la conduite sa résistance aux efforts radiaux tandis que
les nappes d'armure de traction (en anglais tensile armour layers )
sont constituées de fils généralement métalliques enroulés selon des pas
longs de façon à reprendre les efforts axiaux. II est à noter que dans la
présente demande, la notion d'enroulement à pas court désigne tout
enroulement hélicoïdal selon un angle d'hélice proche de 90 ,
typiquement compris entre 75 et 90 . La notion d'enroulement à pas
long recouvre quant à elle les angles d'hélice inférieurs à 55 , typiquement
compris entre 25 et 550 pour les nappes d'armure de traction.
Ces conduites sont destinées au transport des hydrocarbures
3o notamment dans les fonds marins et ce, à de grandes profondeurs. Plus
précisément elles sont dites de type non lié (en anglais unbonded ) et
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elles sont ainsi décrites dans les documents normatifs publiés par
l'American Petroleum Institute (API), API 17J et API RP 17B.
Lorsqu'une conduite, quelle que soit sa structure, est soumise à une
pression externe qui est plus élevée que la pression interne, il se produit
dans la paroi de la conduite des efforts de compression orientés
parallèlement à l'axe de la conduite et qui tendent à raccourcir la longueur
de la conduite. Ce phénomène porte le nom d'effet de fond inverse
( reverse end cap effect en anglais). L'intensité des efforts de
compression axiale est sensiblement proportionnelle à la différence entre
to la pression externe et la pression interne. Cette intensité peut atteindre
un
niveau très élevé dans le cas d'une conduite flexible immergée à grande
profondeur, du fait que la pression interne peut, dans certaines conditions,
être très inférieure à la pression hydrostatique.
Dans le cas d'une conduite flexible de structure classique, par
exemple conforme aux documents normatifs de l'API, l'effet de fond
inverse a tendance à induire un effort longitudinal de compression dans
les fils constituant les nappes d'armure de traction, et à raccourcir la
longueur de la conduite flexible. De plus, la conduite flexible est
également soumise à des sollicitations dynamiques de flexion notamment
lors de l'installation ou en service dans le cas d'une conduite montante
( riser en langue anglaise), c'est-à-dire d'une conduite faisant le lien
entre une installation de surface au niveau de la mer ou à son voisinage,
et une installation au fond de la mer. L'ensemble de ces contraintes peut
faire flamber les fils des nappes d'armure- de traction et désorganiser de
façon irréversible les nappes d'armure de traction, provoquant ainsi la
ruine de la conduite flexible.
On a donc cherché des améliorations structurelles des conduites
flexibles pour augmenter la résistance des nappes d'armure à la
compression axiale.
Ainsi, le document WO 03/083343 décrit une telle solution qui
consiste à enrouler autour des nappes d'armure de traction des rubans
renforcés par exemple de fibres aramides. De cette manière on limite et
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on contrôle le gonflement des nappes d'armure de traction. Toutefois, si
cette solution permet de résoudre les problèmes liés au flambement radial
des fils constituant les nappes d'armure de traction, elle permet seulement
de limiter le risque de flambement latéral desdits fils qui perdure.
Le document WO 2006/042939 décrit une solution qui consiste à
utiliser des fils présentant un fort ratio largeur sur épaisseur et à réduire
le
nombre total de fils constituant chaque nappe d'armure de traction.
Cependant, si cette solution réduit le risque de flambement latéral des
nappes d'armure de traction, elle ne le supprime pas totalement.
La demande FR 06 07421 au nom de la Demanderesse fait
connaître une solution consistant à ajouter à l'intérieur de la structure de
la conduite flexible une couche tubulaire de blocage axial. Cette couche
est conçue pour reprendre les efforts de compression axiale et limiter le
raccourcissement de la conduite, ce qui permet d'éviter d'endommager
les nappes d'armure de traction.
Ces solutions sont efficaces mais présentent un certain nombre de
contraintes, notamment financières, qui conduisent à souhaiter des
solutions alternatives, du moins dans des cas spécifiques, et notamment
dans le cas particulier des conduites montantes.
On connaît différentes configurations de conduites flexibles
montantes. Les configurations les plus courantes sont représentées à la
figure 4 du document normatif API RP 17B ; Recommended Practice for
Flexible Pipes ; Third Edition ; March 2002 . Elles sont connues de
l'homme du métier sous les noms Free Hanging , Steep S , Lazy
S , Steep Wave et Lazy Wave . Une autre configuration, connue
sous le nom de Pliant Wave O est décrite dans le brevet US
4 906 137.
Dans les configurations Steep S , Lazy S , Steep Wave ,
Lazy Wave et Pliant Wave , la conduite flexible montante est
supportée, à une profondeur intermédiaire entre le fond et la surface, par
un ou plusieurs organes à flottabilité positive, de type arche ou bouée
sous-marine. Ceci confère à la conduite flexible montante une géométrie
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en forme de S ou de vague, ce qui lui permet de supporter les
mouvements verticaux de l'installation de surface sans générer des
courbures excessives de ladite conduite, particulièrement dans la zone
située à proximité du fond marin, lesdites courbures excessives étant par
ailleurs susceptibles d'endommager ladite conduite. Ces configurations
sont généralement réservées aux applications dynamiques à une
profondeur inférieure à 500 m.
Dans la configuration Free Hanging , la conduite flexible
montante est disposée en caténaire entre le fond marin et l'installation de
lo surface. Cette configuration présente l'avantage de la simplicité, mais
l'inconvénient d'être mal adaptée aux applications dynamiques à faible
profondeur, en raison des variations de courbure excessives pouvant être
générées à proximité du fond marin. Cependant, cette configuration est
couramment utilisée pour les applications à grande profondeur, c'est-à-
is dire à plus de 1000 m, voire de 1500 m. En effet, dans ces conditions,
l'amplitude relative des mouvements du support flottant, et tout
particulièrement des mouvements verticaux liés à la houle, reste très
inférieure à la longueur de la caténaire, ce qui limite l'amplitude des
variations de courbure à proximité du fond marin et permet de maîtriser
20 les risques de fatigue de la conduite et de flambement latéral des nappes
d'armure de traction. Cependant, pour garantir la résistance de la
conduite flexible à l'effet de fond inverse, qui peut à ces grandes
profondeurs atteindre un niveau très élevé, la structure de la conduite doit
être dimensionnée selon les techniques connues précitées, ce qui conduit
25 à des solutions complexes et coûteuses.
On connaît aussi des colonnes montantes hybrides utilisant à la fois
des conduites rigides et des conduites flexibles. Ainsi, les documents FR
2 507 672, FR 2 809 136, FR 2 876 142, GB 2 346 188, WO 00/49267,
WO 02/053869, WO 02/063128, WO 02/066786 et WO 02/103153
3o divulguent une colonne montante de type tour hybride connue de l'homme
du métier sous le nom de Hybrid Riser Tower . Une ou plusieurs
conduites rigides remontent le long d'une tour sensiblement verticale
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depuis le fond marin jusqu'à une profondeur proche de la surface,
profondeur à partir de laquelle une ou plusieurs conduites flexibles
assurent la liaison entre le sommet de la tour et le support flottant. La tour
est munie de moyens de flottabilité pour rester en position verticale. Ces
5 tours hybrides sont principalement utilisées pour des applications à
grande profondeur. Elles présentent l'inconvénient d'être difficiles à
installer. En particulier, l'installation en mer du tronçon rigide nécessite
généralement des moyens de levage très puissants.
Mais jusque-là, on ne connaît pas d'installation de conduite
io montante réalisée en conduite flexible disposée verticalement qui puisse
résister efficacement à l'effet de fond inverse dans les utilisations en mer
profonde (c'est-à-dire typiquement à plus de 1000 m, voire 1500 ou 2000
m), sans avoir recours à des modifications structurelles onéreuses de la
conduite. A ces grandes profondeurs, l'effet de fond se manifeste avec
une amplitude très grande en raison de l'importance de la pression
hydrostatique. Lorsque dans une installation de transport d'hydrocarbures,
notamment sous forme gazeuse, la production est arrêtée, par exemple
en fermant une vanne, la pression intérieure dans la conduite peut chuter
et la différence entre la pression hydrostatique extérieure élevée et la
pression interne faible ou nulle peut devenir considérable. Ce sont les
conditions qui engendrent l'effet de fond inverse. Si l'on veut utiliser une
conduite flexible dans une installation de colonne montante classique, on
est donc obligé d'adapter la structure de la conduite pour pouvoir résister
en pied de colonne à l'effet de fond inverse, ce qui oblige à dimensionner
les couches de renfort de la conduite en conséquence, le pied de colonne
étant la partie dimensionnante, ce qui conduit à un surdimensionnement
du reste de la conduite et donc à un surcoût.
L'invention a pour but de proposer une telle installation de conduite
montante flexible résistant efficacement à l'effet de fond inverse malgré la
grande profondeur mais n'exigeant pas des modifications structurelles
pénalisantes. L'invention a aussi pour but de proposer un procédé
d'installation en mer de cette conduite.
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L'invention atteint son but grâce à une installation de colonne
montante réalisée avec une conduite flexible de type non lié, ladite
conduite comprenant de l'intérieur vers l'extérieur au moins une gaine
d'étanchéité interne et au moins deux nappes de fils d'armure de traction
enroulées à pas long, la conduite étant disposée verticalement entre
d'une part une connexion mécanique en tête avec une bouée immergée
et d'autre part une connexion mécanique en pied avec le fond marin, des
connexions fluidiques étant prévues en tête et en pied pour relier la
colonne montante d'une part avec des équipements de surface et d'autre
lo part avec des équipements de fond, caractérisée en ce que le pied de la
colonne est à au moins 1000 m de profondeur où il subit un effet de fond
inverse maximum calculable F et en ce que la bouée est dimensionnée
pour entraîner en pied de la colonne montante une tension de réaction T
supérieure à au moins 50% de l'effet de fond inverse maximum calculable
F développé en pied de colonne.
On entend par gaine d'étanchéité interne la première couche, en
partant de l'intérieur de la conduite, dont la fonction est d'assurer
l'étanchéité vis-à-vis du fluide circulant dans la conduite. Généralement, la
gaine d'étanchéité interne est un tube en polymère extrudé. Cependant, la
présente invention s'applique aussi au cas où ladite gaine d'étanchéité
interne est constituée d'un tube métallique flexible et étanche, du type de
celui divulgué dans le document WO 98/25063.
Dans la présente demande, l'effet de fond inverse est donné par la
formule F = (Pext x Sext) - (Pint x Sint)
Pext est la pression hydrostatique régnant à l'extérieur de la
conduite, dans la zone située à proximité du fond marin. Pint est la
pression minimale régnant à l'intérieur de la conduite, dans la zone située
à proximité du fond marin. C'est la pression interne la plus faible vue par
la conduite, pendant toute sa durée de service, dans la zone située à
proximité du fond marin. Cette pression minimale est généralement
évaluée dès la phase de conception de la conduite, car elle conditionne le
dimensionnement de la conduite. Sint est la section transversale interne
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de la gaine d'étanchéité interne sur laquelle s'applique directement la
pression interne. Sext est la section transversale externe de la gaine
d'étanchéité sur laquelle s'applique directement la pression externe.
Dans le cas d'une conduite flexible ne comportant qu'une seule
gaine étanche, à savoir la gaine d'étanchéité interne, Sext est égal à la
section transversale externe de cette gaine. En effet, la pression
hydrostatique s'applique dans ce cas directement sur la face externe de la
gaine d'étanchéité interne. Des conduites flexibles conformes à cette
caractéristique sont notamment décrites dans les documents
io W002/31394 et W02005/04030. De telles conduites peuvent comporter
une gaine polymérique externe non étanche qui, du fait de son absence
d'étanchéité, n'intervient pas dans le calcul de F.
Généralement, la conduite flexible comporte au moins deux gaines
étanches, à savoir d'une part une gaine d'étanchéité interne sur la face
interne de laquelle s'applique directement la pression interne, et d'autre
part une autre gaine étanche entourant ladite gaine d'étanchéité interne
et sur la face externe de laquelle s'applique directement la pression
externe.
Fréquemment, cette autre gaine étanche directement soumise à la
pression hydrostatique est la couche la plus externe de la conduite
flexible, et elle est alors désignée sous le nom de gaine d'étanchéité
externe. Dans ce cas, Sext est égal à la section transversale externe de
cette gaine d'étanchéité externe.
Cependant, il existe aussi des conduites flexibles, notamment celles
à passage lisse ( smooth bore en anglais), dans lesquelles cette autre
gaine étanche directement soumise à la pression hydrostatique est une
gaine intermédiaire d'étanchéité généralement située entre la voûte de
pression et la nappe interne de fils d'armures de traction. Dans ce cas,
Sext est égal à la section transversale externe de cette gaine
intermédiaire d'étanchéité directement soumise à la pression
hydrostatique.
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A titre d'exemple, si on considère une conduite flexible à passage
non lisse ( rough bore en anglais) composée, en partant de l'intérieur
vers l'extérieur, d'une carcasse métallique, d'une gaine polymérique
d'étanchéité interne de diamètre intérieur Dint, d'une voûte de pression,
d'une paire de nappes d'armure de traction et d'une gaine polymérique
d'étanchéité externe de diamètre extérieur Dext, l'effet de fond inverse
maximum calculable F est donné par la formule :
F=(Pext X TT D2ext / 4) -(Pint x Tr D2int / 4)
Grâce à une tension T en pied de colonne largement supérieure à ce
que le simple support de la colonne montante flexible justifierait, on
compense au moins en partie l'effet de fond inverse et on évite de trop
faire travailler les nappes d'armure de traction en compression, ce qui
permet de simplifier la structure de la conduite et donc de réduire son
coût. De plus, il est ainsi possible d'augmenter les profondeurs d'eau
accessibles sans avoir besoin de recourir à des modifications majeures
des techniques connues de conception et de fabrication des conduites
flexibles. L'invention permet ainsi de s'affranchir de l'emploi d'une couche
tubulaire de blocage axial du type de celle décrite dans la demande FR 06
07421. Elle permet aussi de supprimer ou de réduire l'épaisseur de la ou
des couches anti-gonflement, couches décrites en particulier dans le
document WO 03/083343, et dont la fonction est de limiter le gonflement
des nappes d'armure de traction lorsque ces dernières sont soumises à
un effort de compression. Ces couches anti-gonflement sont
généralement constituées de bandes renforcées en Kevlar enroulées
autour des nappes d'armure de traction. Du fait du coût élevé du Kevlar0,
la réduction ou la suppression de ces bandes permet une économie
importante. Un autre avantage de l'invention est de réduire le risque de
flambement latéral des armures de traction, et donc d'augmenter la
profondeur à laquelle les conduites flexibles peuvent être utilisées en tant
que colonne montante. Ceci permet aussi d'éviter l'emploi de fils d'armure
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de-traction présentant un fort ratio largeur sur épaisseur, ce qui facilite la
fabrication des conduites.
La présente invention s'applique avantageusement à toute conduite
flexible de type non lié, dès lors que celle-ci comprend au moins une
gaine d'étanchéité interne et une paire de fils d'armure de traction.
Avantageusement la bouée est dimensionnée pour exercer sur la
colonne montante une tension T supérieure à au moins 75% de l'effet de
fond inverse maximum F développé en pied de colonne, et de manière
encore plus avantageuse la bouée est dimensionnée pour exercer sur la
io colonne montante une tension T supérieure à au moins 100% de l'effet de
fond inverse maximum F développé en pied de colonne. Dans ce dernier
cas, on est assuré que les armures de traction ne seront jamais mises en
compression par l'effet de fond inverse et il est alors particulièrement
avantageux de choisir de réaliser la conduite flexible avec des fils
d'armure de traction à base de fibres en carbone. De telles nappes
d'armure de traction offrent l'avantage de la légèreté mais résistent mal à
la compression. L'invention permet de les utiliser pour une colonne
montante, moyennant ces précautions de tension élevée imposée par la
bouée en tête de colonne.
De telles bouées à flottabilité élevée ne posent pas de problème
particulier de faisabilité dans la mesure où elles sont déjà utilisées dans le
domaine précité des tours hybrides. Les documents précités relatifs à ces
tours hybrides décrivent en particulier des bouées qui peuvent être
utilisées pour la présente invention.
La connexion fluidique en tête comporte généralement une conduite
flexible de liaison en tête reliant le haut de la colonne montante aux
équipements de surface, par l'intermédiaire d'embouts et d'accessoires
appropriés.
Une installation conforme à l'invention présente en outre
3o avantageusement une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- La gaine d'étanchéité interne de la conduite flexible verticale est
polymérique.
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- La conduite flexible verticale comprend une gaine polymérique
externe d'étanchéité entourant les nappes de fils d'armure de traction.
- La pression hydrostatique s'applique directement sur la face
externe de la gaine d'étanchéité interne.
5 - La conduite flexible verticale comprend, entre la gaine d'étanchéité
interne et les nappes de fils d'armure de traction, une voûte de pression
interne réalisée par un enroulement hélicoïdal à pas court de fil, destinée
à résister à la pression interne du fluide transporté.
- Les nappes de fils d'armure de traction de la conduite flexible
io verticale comprennent des nappes de fils à base de fibres de carbone.
- La connexion mécanique en pied comporte au moins un câble
d'ancrage reliant le bas de la conduite flexible verticale à un point
d'ancrage fixé sur le fond marin. Ce câble d'ancrage peut être remplacé
par tout moyen de liaison équivalent, présentant à la fois une grande
résistance mécanique en tension et une bonne souplesse en flexion,
comme par exemple une chaîne ou un dispositif mécanique articulé.
- La connexion fluidique en pied comporte une conduite flexible de
liaison en pied reliant le bas de la colonne montante à une conduite de
production, par l'intermédiaire d'embouts et d'accessoires appropriés.
- La connexion fluidique en pied se fait par un embout inférieur de
liaison fixé en bas de la conduite flexible verticale, et le au moins un câble
d'ancrage mentionné ci-dessus est solidarisé à son extrémité supérieure
audit embout inférieur de liaison.
- Ladite conduite flexible de liaison en pied est à flottabilité répartie.
- La bouée comporte un alésage central de passage de la conduite
flexible verticale de diamètre supérieur à celui d'un embout supérieur de
liaison de ladite conduite flexible verticale.
- La connexion mécanique en tête comporte un collier en plusieurs
parties servant de butée entre la partie supérieure de la bouée et l'embout
supérieur de liaison de la conduite flexible verticale.
- Un dispositif limiteur de courbure est prévu au bas de l'alésage de
la bouée.
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- La connexion mécanique en tête comporte une ligne de traction
reliant le bas de la bouée à un élément solidaire du haut de la conduite
flexible verticale.
- L'élément solidaire du haut de la conduite flexible verticale est un
col de cygne servant à la connexion fluidique en tête.
L'invention concerne également un procédé de mise en place de
l'installation conforme à l'invention.
Il s'agit donc d'un procédé de mise en place d'une installation de
colonne montante réalisée avec une conduite flexible de type non lié,
io ladite conduite comprenant de l'intérieur vers l'extérieur au moins une
gaine d'étanchéité interne et au moins deux nappes de fils d'armure de
traction enroulées à pas long, la conduite devant être disposée
verticalement entre d'une part une connexion mécanique en tête avec une
bouée immergée et d'autre part une connexion mécanique en pied avec le
fond marin, des connexions fluidiques devant être prévues en tête et en
pied pour relier la colonne montante d'une part avec des équipements de
surface et d'autre part avec des équipements de fond, le procédé étant
caractérisé en ce qu'on dispose le pied de la colonne à au moins 1000 m
de profondeur où il subit un effet de fond inverse maximum calculable F et
2o en ce qu'on dimensionne la bouée pour entraîner en pied de la colonne
montante une tension de réaction T supérieure à au moins 50% de l'effet
de fond inverse maximum calculable F développé en pied de colonne.
De manière avantageuse, on utilise pour la pose de l'installation un
premier navire à partir duquel est déroulée la conduite flexible et un
second navire de support de la bouée susceptible de supporter la bouée
ballastée entre une position supérieure près de la surface et une position
inférieure près du fond marin ; on attache une première extrémité de la
conduite flexible déroulée à la bouée en position supérieure ; on déroule
la conduite flexible de manière qu'elle pende entre le premier navire et le
second navire ; on prolonge une seconde extrémité de la conduite flexible
déroulée par un flexible de liaison muni d'un raccord fluidique ; on utilise
une ligne d'accrochage pour accrocher ledit raccord au premier navire de
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pose et on déroule cette ligne d'accrochage pour faire descendre ledit
raccord sensiblement au niveau de ladite seconde extrémité ; on fait
descendre ledit raccord et ladite seconde extrémité jusqu'au voisinage du
fond ; on procède à la connexion mécanique de ladite seconde extrémité
et à la connexion fluidique dudit raccord, et on déballaste la bouée.
Avantageusement, on remplit la conduite flexible d'eau pendant la
pose.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la
lecture de la description faite ci-après, donnée à titre indicatif mais non
i.o limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en perspective d'une.
conduite flexible utilisable selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en élévation d'une installation
de conduite montante conforme à l'invention ;
- la figure 3 est une vue schématique partielle d'un premier mode de
raccordement en pied de conduite montante ;
- la figure 4 est une vue de côté de la figure 3;
- la figure 5 est une vue schématique partielle d'un deuxième mode
de raccordement en pied de conduite montante ;
- la figure 6 est une vue schématique partielle d'un troisième mode
de raccordement en pied de conduite montante, également représenté en
figure2;
- la figure 7 est une vue schématique partielle d'un premier mode de
raccordement en tête de conduite montante ;
- la figure 8 est une vue schématique partielle d'un deuxième mode
de raccordement en tête de conduite montante ;
- la figure 9 est une vue schématique partielle d'un troisième mode
de raccordement en tête de conduite montante ;
- les figures 10 à 17 sont des vues schématiques en élévation de
3o différentes étapes d'un procédé d'installation en mer de la conduite
montante.
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La Figure 1 illustre une conduite flexible non liée 10 du type à
passage non lisse (en anglais rough-bore ) et qui présente ici, de
l'intérieur de la conduite vers l'extérieur une carcasse métallique interne
16, une gaine d'étanchéité interne 18 en matière plastique, une voûte de
pression agrafée 20, deux nappes croisées d'armure de traction 22, 24,
une couche anti-gonflement 25 réalisée par enroulement de bandes
tissées en fibres de KevlarO, et une gaine externe d'étanchéité 26. La
conduite flexible 10 s'étend ainsi longitudinalement selon l'axe 17. La
carcasse interne métallique 16, la voûte de pression agrafée 20 et la
io couche anti-gonflement 25 sont réalisées grâce à des éléments
longitudinaux enroulés hélicoïdalement à pas court, tandis que les nappes
croisées d'armure 22, 24 sont formées d'enroulements hélicoïdaux à pas
long de fils d'armure.
Dans un autre type de conduite, à passage lisse (dite smooth-
is bore en anglais), la carcasse métallique 16 est supprimée et une gaine
intermédiaire d'étanchéité est généralement ajoutée entre d'une part la
voûte de pression 20 et d'autre part la nappe interne d'armure 22.
La figure 2 représente schématiquement la colonne montante 1 de
l'invention destinée à faire remonter un fluide, en principe un hydrocarbure
20 liquide ou gazeux, ou biphasique, entre une installation de production 2
située sur le fond marin 5 et une installatiori d'exploitation 3 flottant à la
surface 4 de la mer. L'installation de production 2 représentée sur la figure
2 est une conduite, généralement rigide, reposant sur le fond marin et
connue de l'homme du métier sous le nom de flowline . Cette conduite
25 assure la liaison entre d'une part le pied de la colonne montante 1, et
d'autre part une installation sous-marine du type par exemple collecteur
( manifold en anglais) ou tête de puits.
La colonne montante se compose essentiellement d'une portion de
conduite flexible verticale 10 tendue entre une connexion mécanique 6',
30 6", 6"' d'accrochage au fond marin 5 en pied de colonne et une connexion
mécanique 7', 7" d'accrochage à une bouée immergée 8 en tête de
colonne. Les moyens d'accrochage 7', 7" ont pour fonction de
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transmettre à la partie supérieure de la conduite flexible l'effort de
flottabilité positive généré par la bouée 8. Les moyens d'accrochage
mécanique 6', 6", 6"' ont pour fonction d'ancrer la base de la conduite
flexible 10 au fond marin 5.
Des moyens de raccordement en tête 40, 12 prolongent la conduite
flexible verticale 10 à partir de son extrémité supérieure et permettent la
circulation du fluide transporté vers l'installation d'exploitation 3. Des
moyens de raccordement en pied 33, 34, 30 assurent la continuité de
l'écoulement du fluide transporté entre d'une part l'installation sous-
io marine de production 2 et d'autre part la partie inférieure de la conduite
flexible verticale 10.
Dans une installation typique envisagée par la Demanderesse, la
profondeur P de la mer est supérieure à 1000 m et peut atteindre par
exemple 3000 m. La bouée 8 est immergée à une hauteur P1 sous le
niveau de la mer qui est typiquement comprise entre 100 m et 300 m pour
échapper aux courants marins de surface. La bouée exerce en tête de
colonne sur celle-ci une tension T1 dirigée vers le haut. Cette tension T1
est définie par la flottabilité de la bouée 8. Compte tenu du poids apparent
de la conduite sous l'eau, la force de réaction T s'exerçant en pied de
colonne au niveau de la fixation 6' a comme intensité la différence entre la
tension T1 en tête et le poids apparent relatif de la colonne.
Selon la présente invention, la flottabilité de la bouée est définie de
telle façon que la tension T résultante appliquée à la partie inférieure de la
conduite flexible montante soit suffisamment importante pour compenser
au moins 50%, avantageusement 75% et préférentiellement 100% de
l'effort de compression axiale généré par l'effet de fond inverse.
Une des caractéristiques importantes de l'invention réside dans la
flottabilité très élevée imposée à la bouée 8. Selon le mode de réalisation
choisi, l'écart entre la flottabilité strictement nécessaire pour maintenir
l'ensemble et celle convenant pour mettre en oeuvre la présente invention
peut dépasser 70 000 daN, voire 100 000 daN ou même 200 000 daN, ce
qui est une valeur très importanté, nettement supérieure aux marges de
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sécurité, de l'ordre de 10 000 daN à 20 000 daN qui auraient auparavant
semblées suffisantes à l'homme du métier. Ce surdimensionnement
important de la bouée a pour conséquence un surcoût important de la
bouée, si bien qu'il avait par le passé été évité. La présente invention va à
5 l'encontre de ce préjugé. En augmentant la taille et le coût de la bouée, on
obtient, contre toute attente, un gain plus important sur la structure de la
conduite flexible verticale 10, cet avantage venant largement compenser
l'inconvénient lié au surcoût de la bouée 8.
L'exemple suivant illustre ce point. Considérons une conduite flexible
lo verticale 10 de transport de gaz, de diamètre intérieur 225 mm et de
diamètre extérieur 335 mm, et s'étendant entre le fond marin situé à une
profondeur P = 2000 m et la bouée 8 située à une profondeur P1 = 200 m.
Supposons par ailleurs qu'en cas d'arrêt de production, la pression à
l'intérieur de la conduite puisse chuter à 1 bar, dans la zone située à
15 proximité du fond mari,n, cette pression interne étant par ailleurs la
pression minimale prévue pendant la durée de vie et de fonctionnement
de la conduite. La pression hydrostatique en pied de conduite est
sensiblement égale à 200 bar. Par conséquent, dans cet exemple :
Pext = 200 bar = 2 daN/mm2
Pint = 1 bar = 0, 01 daN/mm2
Dext = 335 mm
Dint = 225 mm
Si bien que l'effet de fond inverse maximum est :
F = (2 x Tr x 3352/4) - (0,01 x Tr x 2252/4) = 176 000 daN
Selon la pratique antérieure, la tension T induite en pied de colonne
est faible, de l'ordre de 15 000 daN, si bien que la conduite aurait alors
été dimensionnée pour résister à un effet de fond inverse de l'ordre de
180 000 daN. En pratique, dans cet exemple, ceci aurait conduit à choisir
une structure comportant deux nappes d'armure de traction 22, 24 en
3o acier de 4 mm d'épaisseur chacune, ainsi qu'une couche anti-gonflement
25 en KevlarO de forte épaisseur. Les fils en acier constituant les nappes
d'armure de traction auraient de plus présenté un fort ratio largeur sur
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épaisseur, typiquement 20 mm par 4 mm, pour éviter le flambement
latéral des nappes d'armure de traction. Le poids dans l'eau d'une telle
conduite, lorsqu'elle est pleine de gaz, aurait alors été de l'ordre de 100
daN par mètre linéaire, ce qui aurait conduit à un poids total de 180 000
daN. La bouée supporte non seulement le poids apparent dans l'eau de la
conduite 10, mais aussi celui d'une partie des moyens de raccordement
en pied 30, ainsi que sensiblement, la moitié de celui des moyens de
raccordement en tête 40, 12, l'autre moitié étant supportée par
l'installation d'exploitation 3. Dans cet exemple, ces suppléments de poids
io à supporter sont de l'ordre de 20 000 daN. Par conséquent, selon la
pratique antérieure, la bouée aurait été dimensionnée pour avoir une
flottabilité permettant de générer en tête de colonne une tension :
T1 = 180 000 + 20 000 + 15 000 = 215 000 daN
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la tension T en
pied de colonne est égale à 50% de F, c'est-à-dire à 88 000 daN. La
conduite flexible 10 doit dans ce cas être dimensionnée pour résister à un
effort de compression axiale de l'ordre de 90 000 daN au lieu des 180 000
daN précités selon l'art antérieur. Cette forte diminution de la compression
axiale permet dans cet exemple de choisir une structure comportant deux
2o nappes d'armure de traction 22, 24 en acier de 3 mm d'épaisseur
chacune, et constituées de fils classiques ne présentant pas un fort ratio
largeur sur épaisseur. L'épaisseur de la couche anti-gonflement 25 en
KevlarO est dans ce cas quasiment deux fois plus faible que celle selon
l'art antérieur précité. Le poids dans l'eau d'une telle conduite, lorsqu'elle
est pleine de gaz, est de l'ordre de 90 daN par mètre linéaire, c'est-à-dire
sensiblement inférieur à celui d'une conduite selon l'art antérieur précité.
Le poids total dans l'eau. de la conduite 10 avoisine donc 162 000 daN.
Par conséquent, selon ce mode de réalisation de l'invention, la bouée doit
être dimensionnée pour avoir une flexibilité permettant de générer en tête
3o de colonne une ténsion :
T1 = 162 000 + 20 000 + T = 162 000 + 20 000 + 88 000 = 252 000 daN
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Selon ce mode de réalisation de l'invention, la flottabilité de la bouée 8 a
donc dans cet exemple été augmentée de 37 000 daN en valeur absolue
ou 17% en valeur relative par rapport à la pratique antérieure. Cet
inconvénient est compensé par le gain sur la structure de la conduite.
Selon un deuxième mode de réalisation particulièrement avantageux
de l'invention, la tension T en pied de colonne est égale à F, c'est-à-dire à
176 000 daN.
Dans ce cas, dans la mesure où l'effet de fond inverse F est
totalement compensé et où on évite de mettre les nappes d'armure de
io traction 22, 24 en compression, il est possible et avantageux de choisir
pour celles-ci des fils en matériau composite, préférentiellement à base
de fibres de carbone. On pourra se référer par exemple au document US
6 620 471 au nom de Demanderesse, faisant connaitre des rubans
composites comportant des fibres composites noyées dans une matrice
thermoplastique. De telles armures apportent une grande résistance à la
traction et conduisent à une conduite flexible plus légère que des armures
métalliques. En revanche, comme elles résistent mal à la compression, on
ne peut les employer que dans des conditions où le risque de mise en
compression est conjuré, ce qui est le cas avec l'invention qui permet de
toujours maintenir les armures en traction.
L'emploi d'armures de traction en fibres de carbone en lieu et place
d'armures en acier permet non seulement d'alléger la conduite, ce qui
facilite sa manutention et son installation en mer, mais aussi d'améliorer
sa résistance à la corrosion et d'éviter les phénomènes de fragilisation par
l'hydrogène rencontrés avec les aciers à hautes caractéristiques
mécaniques. L'absence de compression axiale permet aussi de supprimer
la couche anti-gonflement 25 en KevlarO, ce qui permet une économie
importante. Le poids dans l'eau d'une telle conduite, lors qu'elle est pleine
de gaz, est dans cet exemple de l'ordre de 60 daN par mètre linéaire, ce
3o qui représente un gain de poids de 40 % par rapport à l'art antérieur
précité. Le poids total dans l'eau de la conduite 10 avoisine donc 108 000
daN. Par conséquent, selon ce mode de réalisation de l'invention, la
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bouée doit être dimensionnée pour avoir une flottabilité permettant de
générer en tête de colonne une tension :
T1 = 108 000 + 20 000 + T = 108 000 + 20 000 + 176 000 = 304 000 daN
La flottabilité de la bouée a donc été augmentée de 89 000 daN en valeur
absolue ou 41 % en valeur relative par rapport à la pratique antérieure.
Cet inconvénient est largement compensé par le gain sur la structure de
la conduite et sur sa facilité d'installation en mer, du fait du moindre poids
de la conduite.
On décrira maintenant plus en détail la réalisation de certains des
io équipements de l'installation conforme à l'invention.
Les figures 2 à 6 représentent différents moyens de raccordement
en pied. Ces moyens comportent une conduite 30 de liaison en pied,
généralement de courte longueur, en pratique moins de 100m. Cette
conduite de liaison en pied doit être dimensionnée pour résister à la
totalité l'effet de fond inverse. Cette conduite de liaison en pied peut
comporter un ou plusieurs tronçons de conduite rigide ou flexible
éventuellement combinés entre eux. Elle peut aussi comporter un
dispositif mécanique de type joint flexible, dispositif dont la fonction est
d'assurer la continuité de l'écoulement tout en autorisant des degrés de
liberté en flexion similaires à ceux d'une conduite flexible.
Avantageusement la conduite 30 de liaison en pied est une conduite
flexible renforcée selon les techniques précitées de l'art antérieur, afin de
résister à l'effet de fond inverse et de supprimer le risque de flambement
latéral des nappes d'armure de traction. La structure de cette conduite
flexible 30 de liaison en pied est généralement très différente de celle de
la conduite flexible verticale 10. Sur la figure 2 et la figure 6, la conduite
flexible 30 est raccordée à son extrémité inférieure par un embout 32 à
l'embout 35 d'une manchette rigide 34 permettant un raccordement par le
haut avec un connecteur vertical 33 placé à l'extrémité de la conduite de
production ( flowline ) 2 et coopérant avec un embout adapté 36 de la
manchette 34. L'extrémité supérieure du flexible 30 comporte un embout
31 raccordé à l'embout inférieur 6' de la conduite flexible 10, lequel est
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fixé à un point d'ancrage 6"' par un câble 6". Le point d'ancrage 6"' est
solidaire du fond marin 5. II est dimensionné pour résister à une tension
d'arrachement supérieure à la tension T exercée par le pied de la
colonne. Le point d'ancrage 6"' est avantageusement une ancre à succion
( succion pile en anglais) ou une pile d'ancrage par gravité.
La figure 3 montre une variante de raccordement horizontal de la
conduite 30 directement dans un connecteur horizontal 33 terminant la
conduite de production 2. La figure 4 montre que l'embout inférieur 6' est
en fait maintenu par deux câbles 6" fixés à leur extrémité supérieure sur
io deux de ses côtés, et à leur extrémité inférieure sur une attache articulée
28 du point d'ancrage 6"'.
La figure 5 montre une variante utilisant une conduite flexible 30 de
liaison en pied, selon laquelle le flexible 30 est à flottabilité répartie,
grâce
à des bouées 34 entourant le flexible ; ceci a l'avantage de permettre de
supporter de larges débattements angulaires de la conduite 10 de part et
d'autre de la position verticale.
On a représenté sur les figures 7 à 9 différentes variantes des
moyens de raccordement en tête. La figure 7 montre que la conduite
flexible 10 présente un embout supérieur 7' sur lequel se raccorde
l'embout inférieur 39 d'une conduite rigide 40 en col de cygne dont
l'embout supérieur 41 est raccordé à l'embout inférieur 13 de la conduite
flexible 12 de liaison en tête connectée à l'installation de surface. La
conduite flexible 12 de liaison en tête est généralement appelée
jumper par l'homme du métier. Un collier 7" en deux parties faisant
butée empêche l'embout 7' de descendre à travers l'alésage 37 de la
bouée 8. L'alésage 37 possède à sa partie inférieure une forme évasée
38 faisant office de limiteur de courbure en cas de débattement angulaire
de la conduite 10 par rapport à la bouée. La bouée est avantageusement
une structure mécano soudée et compartimentée ; des chambres
étanches remplies d'air peuvent être ballastées et déballastées avec de
l'eau, de façon à faire varier la flottabilité de la bouée.
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Dans la variante représentée en figure 8, le col de cygne est
supprimé et remplacé par des moyens répartis de flottabilité 44 (bouées
entourant le jumper flexible 12) ayant pour effet de donner au
jumper flexible 12 la forme d'un S. L'embout 13 du jumper 12 est
5 donc directement fixé à l'embout 7' de la conduite 10. On a aussi
remplacé l'évasement inférieur 38 de l'alésage de la bouée 8 par un
limiteur de courbure 42 ( bend stiffener en anglais) ajouté en partie
inférieure de bouée.
Dans la variante représentée en figure 9, la bouée 8 est accrochée
iô au-dessus de la colonne montante, au moyen d'une chaîne 45 (ou
équivalent) fixée dans un anneau 47 à la bouée et dans un anneau 46 au
col de cygne 40.
On décrira maintenant, en se référant aux figures 10 à 17, une
méthode d'installation de l'installation conforme à l'invention. Cette
15 méthode utilise deux bateaux, un bateau 50 de pose de conduites
flexibles et un bateau 60 de support.
Le bateau 50 comporte une bobine 52 ou un panier stockant la
conduite flexible à poser sous forme enroulée (ou plus exactement une
partie de la conduite à enrouler), permettant de dérouler du flexible 10 en
20 le faisant passer sur une poulie de renvoi 54 puis par des moyens
d'entraînement 56, avantageusement de type quadri chenille verticale,
situés au-dessus du puits central 51 du bateau. Un treuil 53 muni d'un
câble annexe 66 sera décrit plus loin (cf. figures 14 à 16) pour la fin de la
pose.
Le bateau 60 comporte une grue principale 62 ayant la capacité de
lever la bouée 8 grâce à un câble 63, et un moyen annexe de traction 64,
de type grue ou treuil.
Dans la première étape représentée en figure 10, un câble 57,
destiné à tirer la conduite 10 jusqu'à l'intérieur de la bouée 8, est
préalablement fixé à l'embout supérieur 7' de la conduite 10 et tiré à
travers la bouée 8 jusqu'au treuil ou grue 64.
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Dans la deuxième étape représentée en figure 11, on tire à l'aide du
treuil 64 la conduite 10 jusqu'à l'intérieur de la bouée 8; simultanément, le
bateau de pose dévide la longueur nécessaire de flexible 10.
Dans la troisième étape représentée en figure 12, on solidarise
l'embout 7' (qui est passé à travers l'alésage 37 de la bouée 8) avec la
bouée à l'aide du collier en deux parties 7".
Dans la quatrième étape représentée en figure 13, on déconnecte le
treuil 64 et son câble 57 de l'embout 7'.
On ne sortirait pas du cadre de la présente invention si, au cours de
io ces quatre étapes, le treuil 64 utilisé comme moyen annexe de traction
était fixé non pas sur le bateau 60, mais plutôt sur la partie supérieure de
la bouée 8. Dans ce cas, à la fin de la quatrième étape, le treuil 64 serait
avantageusement désolidarisé de la bouée 8 pour être récupéré et chargé
sur le bateau 60.
On dévide alors complètement le flexible 10 du bateau de pose 50,
puis là conduite flexible 30 qui lui est attachée par les embout 6', 31, puis
le col de cygne rigide 34 attaché par les embouts 32, 35.
Dans la cinquième étape représentée en figure 14, on accroche un
câble 66 au col de cygne 34, ce qui permet de terminer la descente en
2o dévidant le câble 66 qui se déroule du treuil 53 en passant sur une poulie
de renvoi, par exemple, la poulie 54 déjà utilisée pour le renvoi du flexible.
Dans la sixième étape représentée en figure 15, on descend la
bouée 8 avec la grue 62, la bouée étant ballastée. On opère la connexion
assistée par robot sous-marin (de type connu sous le nom de ROV )
du câble d'ancrage 6" au point d'ancrage 6"', qui a été pré installé.
Dans la septième étape représentée en figure 16, on poursuit la
descente du câble 66 et on opère la connexion verticale du col de cygne
34 avec l'embout 33 de la conduite de production 2 au moyen d'un
connecteur automatique et avec l'assistance d'un robot sous-marin.
Dans la huitième et dernière étape représentée en figure 17, on
déballaste la bouée 8 de manière à obtenir la tension T1 en tête de
colonne. Ceci peut se réaliser à partir du bateau de support 60 avec des
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moyens du type tuyau flexible, pompe et robot sous-marin. L'installation
est alors terminée et les navires 50 et 60 peuvent quitter la zone.
Les connexions fluidiques en tête de colonne peuvent être faites
dans un deuxième temps, selon des méthodes connues de l'homme du
métier, une fois que l'installation de surface 3 a été acheminée sur place.
La méthode d'installation qui vient d'être expliquée présente
plusieurs avantages.
Du fait que le bateau de pose 50 ne supporte que la moitié du poids
pendu de la conduite 10, le reste étant supporté par le bateau de support
io 60, il est possible d'utiliser des bateaux de capacité moindre.
Les tensions de pose sont plus faibles par rapport à la pose de
conduite rigide déroulée, car les conduites flexibles peut supporter des
courbures beaucoup plus faibles que les conduites rigides.
Il est possible de poser la conduite flexible pleine d'eau, soit
totalement, soit partiellement, de façon à limiter l'effet de fond inverse
pendant l'opération de pose, tant que la tension T n'a pas été appliquée.
En effet, la colonne d'eau à l'intérieur de la conduite flexible génère une
pression interne qui s'oppose à la pression hydrostatique externe, et
réduit l'effet de fond inverse. Il est ainsi possible, en ajustant le niveau
2o d'eau à l'intérieur de la conduite flexible, de réduire et de contrôler en
permanence les contraintes axiales de compression supportées par la
conduite flexible pendant l'opération de pose, de façon à éviter
d'endommager ladite conduite. Une fois la tension T appliquée, la colonne
montante peut être vidée par pompage de l'eau ayant servi lors des
phases préalables d'installation, sans risque d'endommager la conduite
flexible verticale. On ne sortirait pas du cadre de la présente invention en
remplaçant l'eau par un autre fluide, tel par exemple qu'un hydrocarbure
du type gazole. Cette solution serait particulièrement adaptée à la pose de
conduites flexibles de transport de gaz, car la présence d'eau ou
3o d'humidité à l'intérieur de ces conduites est susceptible de provoquer
ultérieurement la formation de bouchons d'hydrates.
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La pose d'une conduite flexible montante selon la présente invention
est beaucoup plus rapide que celle d'une tour hybride rigide, et la
souplesse de la méthode permet la pose dahs des conditions de mer plus
mauvaises que celles pour la pose de tours hybrides rigides.
